Управлением шаговым двигателем в полношаговом режиме

Первый способ обеспечивается попеременной коммутации фаз, при этом они не перекрываются, в один момент времени включена только одна фаза (рис а). Этот способ называют ”one phase on” full step или wave drive mode. Точки равновесия ротора для каждого шага совпадают с «естественными» точками равновесия ротора у незапитанного двигателя. Недостатком этого способа управления является то, что для биполярного двигателя в один и тот же момент времени иcпользуется 50% обмоток, а для униполярного – только 25%. Это означает, что в таком режиме не может быть получен полный момент.

a) полношаговый режим, включена одна фаза, «one phase on» full step (wave drive mode) б) полношаговый режим, включены две фазы, «two-phase-on» full step (full step mode) Способы управления фазами шагового двигателя

купить шаговый двигатель

купить блок управления шаговым двигателем

Второй способ — управление фазами с перекрытием: две фазы включены в одно и то же время. Его называют ”two-phase-on” full step или просто full step mode. При этом способе управления ротор фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора (рис. б) и обеспечивается примерно на 40% больший момент, чем в случае одной включенной фазы. Этот способ управления обеспечивает такой же угол шага, как и первый способ, но положение точек равновесия ротора смещено на пол-шага.

В полношаговом режиме с двумя включенными фазами положения точек равновесия ротора смещены на пол-шага. Нужно отметить, что эти положения ротор принимает при работе двигателя, но положение ротора не может сохраняться неизменным после выключения тока обмоток. Поэтому при включении и выключении питания двигателя ротор будет смещаться на полшага. Для того, чтобы он не смещался при остановке, необходимо подавать в обмотки ток удержания.

То же справедливо и для полушагового и микрошагового режимов. Следует отметить, что если в выключенном состоянии ротор двигателя поворачивался, то при включении питания возможно смещение ротора и на большую, чем половина шага величину.

Ток удержания может быть меньше номинального, так как от двигателя с неподвижным ротором обычно не требуется большого момента. Однако есть применения, когда в остановленном состоянии двигатель должен обеспечивать полный момент, что для шагового двигателя возможно. Это свойство шагового двигателя позволяет в таких ситуациях обходиться без механических тормозных систем. Поскольку современные драйверы шаговых двигателей позволяют регулировать ток питания обмоток двигателя, задание необходимого тока удержания обычно не представляет проблем. Задача обычно заключается просто в соответствующей программной поддержке для управляющего микроконтроллера.

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели представляют собой бесщеточные двигатели с очень большим числом полюсов, 100 полюсов или 50 пар полюсов. Шаговые двигатели считаются недорогой простой системой управления движением, в которой 100-полюсный двигатель может вращать ротор в 200 уникальных положениях (шагах) за один оборот вала двигателя. В сочетании с контроллером с простым пошаговым вводом и вводом направления шаговые двигатели являются очень простыми компонентами управления движением, которые часто используются в недорогих системах управления движением. Традиционные системы шаговых двигателей работают в режиме «разомкнутого контура», где предполагается, что вращение вала двигателя происходит, учитывая количество шагов, предоставляемых приводу двигателя. Это приводит к «чрезмерной настройке» выходного крутящего момента (по существу, размера двигателя), чтобы гарантировать, что двигатель не заблокирован или не вращает полное количество входных шагов.

С добавлением энкодера (абсолютного или инкрементного) к хвостовому валу шагового двигателя можно проверить вращение вала двигателя. Использование датчика с шаговым двигателем приводит к созданию системы управления движением, которая называется «двигайся и проверяй». В этом случае шаговый двигатель больше не нужно увеличивать в размерах, чтобы двигатель вращался на нужное количество шагов. На основании информации о положении датчика обратной связи система может распознать, выполнил ли двигатель требуемое количество шагов или нет. Это приводит к более эффективной системе управления движением с точки зрения энергопотребления и физических размеров.

В последнее время шаговые двигатели применяются как бесщеточные двигатели постоянного тока, BLDC, двигатели с большим числом полюсов (100 полюсов). Работа шагового двигателя в этом режиме (шаговый сервопривод) обеспечивает более низкую стоимость сервомоторной системы благодаря более низкой стоимости шагового двигателя по сравнению с серводвигателем, но с более низкой производительностью, чем традиционные сервосистемы BLDC. Шаговые двигатели предназначены для удержания крутящего момента в первую очередь, а частота вращения, об / мин, является вторичной.

Для достижения высокого удерживающего момента шаговые двигатели имеют множество обмоток, которые создают сильные магнитные поля. Но с увеличением числа обмоток увеличивается ЭДС, которая снижает скорость вращения вала двигателя на единицу напряжения. Для шаговых серводвигателей всегда требуется обратная связь с энкодером, чтобы электроника привода могла переключать фазные токи двигателя в нужное время, чтобы вал двигателя вращался контролируемым образом. Преимущество использования шагового двигателя в качестве серводвигателя заключается в том, что при управлении по замкнутому контуру величина тока, поступающего на двигатель, пропорциональна нагрузке на двигатель. Слабый ток требуется без нагрузки, в то время как высокая нагрузка требует большого тока двигателя. Это в отличие от шагового двигателя, работающего в режиме разомкнутого контура, в котором двигатель всегда работает с максимальным током независимо от нагрузки на двигатель.

Многооборотные энкодеры POSITAL являются очень экономичным и компактным вариантом для модернизации шаговых двигателей до усовершенствованных шаговых сервосистем.

Они используют технологию Wiegand в качестве системы сбора энергии и охватывают большое количество оборотов, как это требуется, например, в приложениях с линейным приводом.

POSITAL Kit Encoder на шаговом двигателе

Как управлять шаговым двигателем

В шаговых двигателях используются специальные методы управления для достижения большей точности, чем у стандартных двигателей с регулируемой скоростью, при этом избегая затрат и сложности сервосистем.

Для промышленной автоматизации термин управление движением обычно означает использование электродвигателя для положительного управления положением, скоростью и ускорением физической системы. Пневматика экономична, а гидравлика может обеспечить наибольшую силу. Но электродвигатели часто обеспечивают правильный баланс точности, скорости, мощности, долговечности и эксплуатационных расходов.

Асинхронные двигатели переменного тока и двигатели постоянного тока используются для базовых операций включения/выключения и менее точных приложений с регулируемой скоростью, в то время как серводвигатели сочетают в себе высокую скорость, крутящий момент и точность положения/скорости/ускорения за счет положительной обратной связи — с соответственно высокой стоимостью и сложностью. Некоторым пользователям требуется лучшее управление движением, чем это возможно с асинхронными двигателями переменного тока или двигателями постоянного тока, но они ищут более экономичный вариант, чем сервоприводы.

Для многих приложений ответом могут быть системы шаговых двигателей, состоящие из шагового двигателя, привода и контроллера. Шаговые системы обеспечивают некоторые из лучших характеристик ранее описанных двигателей, но при этом экономичны. Для более низких скоростей и меньших требований к усилию шаговые двигатели обеспечивают хорошее разрешение движения. В этой статье описывается, как пользователи могут реализовывать системы с шаговыми двигателями и управлять ими.

Характеристики шагового двигателя

Шаговые двигатели названы так потому, что они управляются импульсами, полученными от привода, чтобы двигаться небольшими дискретными шагами, и они могут делать это быстро. Как правило, лучше всего они работают со скоростью ниже 1000 оборотов в минуту (об/мин), потому что крутящий момент быстро падает с увеличением скорости. Шаговые двигатели не обладают какой-либо перегрузочной способностью, поэтому одним из отраслевых правил является выбор шаговых двигателей и приводов таким образом, чтобы ожидаемая нагрузка использовала только 50% доступного крутящего момента, чтобы избежать потенциальных условий остановки.

Шаговые двигатели управляются последовательностью импульсов от контроллера. В полношаговом режиме обычно 200 шагов (или 1,8 градуса) на каждый оборот на 360 градусов, и каждый импульс перемещает двигатель на один шаг, но этот режим нетипичен, поскольку ему не хватает точности. Вместо этого пользователи обычно выбирают полушаг , четвертьшаг или другие режимы микрошага , которые работают со скоростью 400, 800 или до 50 000 шагов за оборот. Ключевым моментом является баланс между точностью и требуемой полосой пропускания управляющего сигнала.

Хотя шаговые двигатели считаются более дешевой альтернативой управлению движением по сравнению с серводвигателями, у шаговых двигателей есть и другие преимущества. Шаговые двигатели не имеют джиттера/дизеринга на нулевой скорости. Для приложений без постоянной нагрузки от силы тяжести или какой-либо другой силы некоторые шаговые приводы могут иметь опцию снижения тока холостого хода, которая экономит энергию и снижает нагрев двигателя, когда вал находится в состоянии покоя.

Для машин или оборудования с движущимися частями, приводимыми в движение двигателем, возможно, с использованием редукторов или механизмов с реечной передачей, шаговые двигатели являются хорошим способом точного позиционирования нагрузки. Хотя большинство шаговых двигателей не имеют обратной связи, к двигателю можно добавить энкодер. Для большинства приложений необходимо как минимум добавить к оборудованию датчики для обеспечения обратной связи по положению.

Первый шаг

Шаговый контроллер необходим для генерации определенной последовательности импульсов для выполнения движения. В свою очередь, шаговый контроллер подключается к приводу для отправки импульса соответствующего уровня мощности самому двигателю. Контроллер, привод и двигатель обычно являются отдельными компонентами, но в некоторых случаях две или три из этих функций могут быть объединены в одном корпусе.

Контроллер может быть автономным устройством, или определенные программируемые логические контроллеры (ПЛК) могут создавать импульсы, упрощая тесную интеграцию управления движением с другими функциями автоматизации. Базовые шаговые приводы не являются интеллектуальными, поскольку они просто принимают импульсы контроллера и усиливают их в импульсы напряжения для работы двигателя.

Разработчики должны выбирать контроллеры и приводы с совместимыми импульсными характеристиками. Электрические сигналы могут быть с открытым коллектором, драйвером линии или двухтактным. Высокоскоростные импульсы кодируют как частоту, так и направление двигателя, используя один из трех методов:

• Импульс/направление (наиболее распространенный метод)
• По часовой стрелке (CW) / против часовой стрелки (CCW)
• (иногда используется для энкодера следует, потому что этот сигнал часто используется энкодерами)

Шаговая система может создавать движение, управляя двигателем относительно того, как далеко и как быстро он должен вращаться. Некоторые распространенные примеры профилей движения в порядке возрастания сложности:

• Двигаться с фиксированной скоростью.
• Пройдите несколько шагов и остановитесь.
• Ускорение от одной скорости до другой
• Перемещение на несколько шагов из одного положения остановки в другое, сначала ускоряясь до целевой скорости, а затем замедляясь обратно до нулевой скорости в заданном положении, известное как трапециевидное движение.
• Ускорение с одной скорости на другую; известное как движение по S-образной кривой.

Трапециевидные перемещения используют постоянное ускорение для перевода двигателя с одной скорости на другую. S-образные перемещения плавно регулируют ускорение от одной скорости к другой. На этом графике показано изменение скорости (скорости) во времени, когда двигатель движется от нулевой скорости к другой скорости, поддерживает вторую скорость в течение некоторого времени, а затем замедляется обратно до нулевой скорости.

Возврат в исходное положение и проверка положения

Шаговые системы могут выполнять точные относительные перемещения только после того, как контроллер изучит исходное положение с помощью процедуры возврата в исходное положение . Поскольку обратная связь двигателя обычно отсутствует, периодическая проверка положения также может использоваться для подтверждения точных перемещений для текущей операции.

Один из способов выполнить возврат в исходное положение — установить позиционный переключатель в известном месте оборудования. Чтобы узнать исходное положение, контроллер/привод перемещает двигатель в ожидаемое положение и устанавливает исходное положение после срабатывания позиционного переключателя. Проверка положения аналогична, но, как правило, это быстрая проверка, выполняемая во время нормальной работы.

Изучение вариантов

Шаговые двигатели могут быть выгодным выбором для многих приложений, и когда они подходят, они будут более дешевым вариантом, чем сервоприводы. Для приложений, где требуется точное одноосное или ограниченное многоосевое управление движением, шаговые двигатели, приводы и контроллеры (особенно ПЛК), используемые в сочетании с позиционными переключателями и/или энкодером, будут надежно управлять оборудованием примерно на 25 % по стоимости. серводвигательные системы.

AutomationDirect предлагает онлайн-инструмент выбора шагового двигателя, поддержку клиентов (по телефону и через Интернет) и широкий спектр сопутствующих деталей и технологий, чтобы помочь пользователям реализовать наилучшее решение для своего приложения.

Другие статьи об управлении движением читайте здесь!

управление шаговым двигателем · Темы GitHub · GitHub

Здесь 76 публичных репозиториев соответствует этой теме…

простой фокус / Ардуино-ВОК

Звезда 1,3к

лаурб9 / ШаговыйДрайвер

Звезда 469

герцог / stepper_motor_controller

Звезда 32

кой-прог / RP2040_ШИМ

Звезда 27

Филиппму / Марлин-Скумбрия

Звезда 26

хорошая робототехника / Wi-Fiстеппер

Звезда 22

mertwhocodes / mwc_stepper

Звезда 14

sq7bti / iAccelStepper

Звезда 13

эльдендис / ДендоСтеппер

Звезда 10

AutoRoboКультура / arduino-jetson-нано-шаговый двигатель-интерфейс

Звезда 10

JulNadeauCA / FabBSD

Спонсор Звезда 8

Ракшитбк / GRBL-H-мост

Звезда 7

кой-прог / ESP32_FastPWM

Звезда 6

ftjuh / I2Cwrapper

Звезда 6

Стивенкингстон / многоосевой шаговый двигатель

Звезда 6

кой-прог / СТМ32_ШИМ

Звезда 4

кой-прог / AVR_PWM

Звезда 3

Яна-Мари / ВыдраСтепМини

Звезда 3

кой-прог / MBED_RP2040_PWM

Звезда 3

OpenMYR / ESP32-Шаговый

Звезда 3

Улучшить эту страницу

Добавьте описание, изображение и ссылки на шаговый двигатель-управление страницу темы, чтобы разработчикам было легче узнать о ней.